JP2022071251A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子線の離軸量が大きい場合であっても高精度な焦点合わせが可能な荷電粒子線装置を提供する。【解決手段】荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を生成する荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線を傾斜させる偏向部と、前記荷電粒子線を集束させる集束レンズと、前記観察像から算出される評価値に基づいて前記集束レンズのレンズ強度を調整する調整部と、前記荷電粒子線が前記集束レンズの中心から離軸する量である離軸量毎に、前記荷電粒子線が前記試料の上で移動する量である視野移動量と前記レンズ強度との関係を記憶する記憶部と、前記荷電粒子線の傾斜角度と前記関係に基づいて視野移動量を算出し、算出された視野移動量に基づいて前記観察像に重畳される画像フィルタを設定するフィルタ設定部を備え、前記評価値は、前記観察像に前記画像フィルタが重畳されて得られる重畳画像から算出されることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は荷電粒子線装置に係り、特に試料に照射される荷電粒子線を傾斜させながら観察する技術に関する。

荷電粒子線装置は、電子線等の荷電粒子線を試料に照射することによって、試料の微細な構造を観察するための観察像を生成する装置であり、半導体の製造工程等に用いられる。半導体の製造工程では、半導体パターンを直上からだけではなく斜めからも観察するために、荷電粒子線を傾斜させて試料に照射する場合がある。

また多くの荷電粒子線装置には、観察に係る操作を簡略化するため、荷電粒子線の焦点を自動的に合わせる機能が備えられる。例えば、観察像の先鋭度が最大化されるように、集束レンズのレンズ強度を調整することで焦点合わせがなされる。また試料に照射される電子線を傾斜させる前の観察像と後の観察像とから視野移動量を算出し、電子線の傾斜角と視野移動量から算出される焦点ずれ量に基づいて、焦点合わせがなされる。

特許文献１には、対物レンズにヒステリシスが有る場合でも良好な焦点合わせを可能にする方法が開示される。具体的には、試料に照射される電子線を傾斜させる前後の視野移動量を、対物レンズの励磁電流を変えながら三つ取得し、取得された三つの視野移動量に基づいて焦点合わせをすることが開示される。

特許第５５０２６２２号公報

しかしながら特許文献１では、傾斜させた電子線が対物レンズの中心から離軸する量である離軸量の影響に対する配慮がなされていない。視野移動量は、電子線等の荷電粒子線の離軸量に応じて大きくなるので、対物レンズの励磁電流を変えながら取得された視野移動量だけに基づく焦点合わせでは精度が低下する場合がある。

そこで本発明は、荷電粒子線の離軸量が大きい場合であっても高精度な焦点合わせが可能な荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を生成する荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線を傾斜させる偏向部と、前記荷電粒子線を集束させる集束レンズと、前記観察像から算出される評価値に基づいて前記集束レンズのレンズ強度を調整する調整部と、前記荷電粒子線が前記集束レンズの中心から離軸する量である離軸量毎に、前記荷電粒子線が前記試料の上で移動する量である視野移動量と前記レンズ強度との関係を記憶する記憶部と、前記荷電粒子線の傾斜角度と前記関係に基づいて視野移動量を算出し、算出された視野移動量に基づいて前記観察像に重畳される画像フィルタを設定するフィルタ設定部を備え、前記評価値は、前記観察像に前記画像フィルタが重畳されて得られる重畳画像から算出されることを特徴とする。

本発明によれば、荷電粒子線の離軸量が大きい場合であっても高精度な焦点合わせが可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

実施例１に係わる走査電子顕微鏡の一例の概略図である。 電子線を傾斜させたときの視野の移動について説明する図である。 対物レンズの励磁電流とフォーカス評価値との関係の一例を示す図である。 実施例１に係わる処理の流れの一例を示す図である。 対物レンズの励磁電流と視野移動量との関係の一例を示す図である。 実施例１に係わる画像フィルタを設定する処理の流れの一例を示す図である。 実施例１に係わる画像フィルタについて説明する図である。 実施例２に係わる画像フィルタを設定する処理の流れの一例を示す図である。 実施例２に係わる画像フィルタについて説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の荷電粒子線装置の実施例について説明する。荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に照射することによって、試料を観察するための観察像を生成する装置である。以下では、荷電粒子線装置の一例として、電子線で試料を走査することにより観察像を生成する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）について説明する。

図１を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の全体構成について説明する。図１中の鉛直方向をＺ方向、水平方向をＸ方向及びＹ方向とする。走査電子顕微鏡は、電子線源１０１、対物レンズ１０３、偏向器１０４、可動ステージ１０６、検出器１１２、画像生成部１１５、入出力部１１６、記憶部１１７、制御部１１９を備える。以下、各部について説明する。

電子線源１０１は、所定の加速電圧によって加速された一次電子線１０２を試料１０５に照射する線源である。

対物レンズ１０３は一次電子線１０２を試料１０５の表面で集束させるための集束レンズである。多くの場合、対物レンズ１０３にはコイルと磁極とを有する磁極レンズが用いられる。

偏向器１０４は、一次電子線１０２を偏向させる磁界や電界を発生させるコイルや電極である。一次電子線１０２を偏向させることにより、試料１０５の表面を一次電子線１０２で走査したり、試料に入射する一次電子線１０２の傾斜角度を変更したりする。なお、電子線源１０１と対物レンズ１０３の中心とを結ぶ直線は光軸１２１と呼ばれ、偏向器１０４によって偏向されない一次電子線１０２は光軸１２１に沿って試料１０５へ照射される。

可動ステージ１０６は、試料１０５を保持するとともに、Ｘ方向及びＹ方向に試料１０５を移動させる。

検出器１１２は、一次電子線１０２が照射される試料１０５から放出される二次電子１０８を検出する検出器である。検出器１１２には、シンチレータ・ライトガイド・光電子増倍管で構成されるＥ-Ｔ検出器や半導体検出器が用いられる。検出器１１２から出力される検出信号は制御部１１９を介して画像生成部１１５へ送信される。

画像生成部１１５は、検出器１１２から出力される検出信号に基づいて観察像を生成する演算器であり、例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等である。画像生成部１１５は、生成された観察像に対して様々な画像処理を施しても良い。

入出力部１１６は、試料１０５を観察するための条件である観察条件が入力されたり、画像生成部１１５によって生成される画像が表示されたりする装置であり、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、液晶ディスプレイ等である。

記憶部１１７は、各種データやプログラムが記憶される装置であり、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等である。記憶部１１７には、制御部１１９等によって実行されるプログラムや入出力部１１６から入力される観察条件、画像生成部１１５によって生成される画像等が記憶される。

制御部１１９は、各部を制御するとともに、各部で生成されるデータを処理したり送信したりする演算器であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ等である。

図２を用いて、一次電子線１０２を傾斜させたときの視野の移動について説明する。偏向器１０４によって傾斜させられた一次電子線１０２は、対物レンズ１０３の中心を通過せず光軸１２１から離軸して試料１０５へ到達する。そのため、対物レンズ１０３のレンズ強度、すなわち対物レンズ磁場２０１の強度が変わると、一次電子線１０２のビーム径が変わるだけでなく、試料１０５へ到達する位置、すなわち視野位置も変わる。図２には、異なるレンズ強度によって集束される一次電子線１０２の例として、ジャストフォーカスのときの視野位置２０３とともに、オーバーフォーカスのときの視野位置２０２とアンダーフォーカスのときの視野位置２０４が示される。自動的に焦点を合わせるオートフォーカス機能は、観察像から求められる評価値を用いるため、一次電子線１０２の離軸にともなう視野移動は焦点合わせに悪影響を与える。

図３を用いて、一次電子線１０２が離軸しているときの対物レンズ１０３の励磁電流とフォーカス評価値との関係について説明する。図３には、横軸が対物レンズ１０３の励磁電流、すなわちレンズ強度、縦軸が観察像の先鋭度を示すフォーカス評価値であるグラフとともに、対物レンズ１０３の励磁電流に応じた観察像が例示される。なお図３に例示される観察像は、複数の円環形状の突出部を有する試料を撮影したものである。またフォーカス評価値は、観察像から算出される空間的な微分画像の全ての画素値を平均することによって求められる。焦点が合うと突出部のエッジが明瞭になるため、観察像の先鋭度を示すフォーカス評価値は向上する。

ところが一次電子線１０２の離軸にともなう視野移動が生じた場合には、フォーカス評価値が適切に算出されない場合がある。図３において、第一画像３０１はぼけているので評価値が低く、第二画像３０２は焦点が合い評価値が向上している。これらに対し、第三画像３０３はぼけているものの、視野移動によってフォーカス対象以外のエッジの数が多くなったために高い評価値となり、適切な焦点合わせにならない。なお視野移動の量は、一次電子線１０２が対物レンズ１０３の中心から離軸する量である離軸量が傾斜角度に応じて大きくなるほど増加する。そこで実施例１では、荷電粒子線である一次電子線１０２の離軸量が大きい場合であっても、高精度な焦点合わせができるようにする。

図４を用いて、実施例１の処理の流れの一例についてステップ毎に説明する。

（Ｓ４０１）
制御部１１９は、観察条件から一次電子線１０２の傾斜角度を取得する。なお観察条件は、操作者によって入出力部１１６から入力されたり、記憶部１１７に予め記憶された複数の観察条件の中から選択された条件が読み出されたりする。

（Ｓ４０２）
制御部１１９は、Ｓ４０１で所得された傾斜角度に基づいて、レンズ強度の変化量に対する視野移動量の変化量を取得する。例えば、記憶部１１７に予め記憶されたレンズ強度と視野移動量の関係が読み出される。

図５を用いて、レンズ強度と視野移動量の関係の一例について説明する。図５のグラフは、横軸が対物レンズ１０３のレンズ強度に相当する励磁電流、縦軸が視野移動量である。図５に例示されるグラフは、レンズ強度と離軸量を変化させながら撮影される既知の形状を有する試料の観察像から視野移動量を計測することによって作成され、記憶部１１７に予め記憶される。レンズ強度の変化量に対する視野移動量の変化量である、図５のグラフの直線の傾きは、一次電子線１０２の傾斜角によって定められる離軸量が大きいほど大きくなる。すなわち、図５に例示されるように、オートフォーカスによるレンズ強度のふり幅が同じであっても、離軸量が小さいときの視野移動量の幅Δ_１に比べて、離軸量が大きいときの視野移動量の幅Δ_２は大きい。

なお図５に例示されるグラフを作成するための撮影には、視野移動の方向を特定しやすい形状、例えば円環形状や十字形状の突起部を有する試料が望ましい。また突起部の数が単数であれば突起部の移動を確認しやすいので視野移動量を計測しやすく、複数であれば突起部を視野にとらえやすいので撮影時間を短縮できる。

（Ｓ４０３）
制御部１１９は、Ｓ４０２で取得される関係を用いて、レンズ強度に対する視野移動量を算出する。すなわち、図５に例示される関係と、オートフォーカスによって調整されるレンズ強度、一次電子線１０２の傾斜角度によって定められる離軸量に基づいて、視野移動量が算出される。

（Ｓ４０４）
制御部１１９は、Ｓ４０３で算出される視野移動量に基づいて、観察像に重畳される画像フィルタを設定する。観察像に画像フィルタを重畳することにより、視野移動量の影響が低減され、フォーカス評価値が適切に算出される。

図６を用いて、実施例１に係わる画像フィルタを設定する処理の流れの一例について説明する。

（Ｓ６０１）
制御部１１９は、視野移動量を取得する。

（Ｓ６０２）
制御部１１９は、Ｓ６０１で取得された視野移動量に基づいて、観察像に重畳される画像フィルタの位置を移動させる。画像フィルタは、観察像の中心において最大値１を示し、中心を通る線を対称軸とする対称形状を有する関数、例えば矩形関数やガウシアン関数等である。なお画像フィルタの幅、すなわち矩形関数の幅やガウシアン関数の半値幅は任意の値で良い。

画像フィルタの位置は視野移動量と同量を移動させられる。なお画像フィルタが移動することによって観察像の領域からはみ出す場合は、はみ出さないように画像フィルタの幅が狭められることが好ましい。例えば観察像の一辺の長さがＡ、視野移動量がΔ、画像フィルタが幅ｗを有する矩形関数である場合、Δ＞（Ａ－ｗ）／２であるとき、画像フィルタがΔ移動することによって観察像の領域からはみ出すので、矩形関数の幅はＡ－２Δとされる。

図７を用いて、実施例１の画像フィルタの一例について説明する。図７には、離軸がない場合と、離軸が小さい場合、離軸が大きい場合のそれぞれにおいて、アンダーフォーカスと、ジャストフォーカス、オーバーフォーカスで得られる観察像が示される。また各観察像には、矩形関数の画像フィルタに対応する評価エリアが示される。

離軸がない場合、フォーカスが変化しても視野は移動しないため、画像フィルタに対応する評価エリアも移動しない。これに対して離軸がある場合、フォーカスが変化するにしたがって視野は移動するので、評価エリアも移動する。なお離軸が小さい場合に比べて離軸が大きい場合は、視野移動量がより大きくなるので、評価エリアの移動量も大きくなる。また移動によって評価エリアが観察像からはみ出すので、視野移動量に応じて評価エリアは狭められる。すなわち、離軸が小さい場合に比べて離軸が大きい場合は、評価エリアがより小さくなる。

図４の説明に戻る。

（Ｓ４０５）
制御部１１９または画像生成部１１５は、Ｓ４０４で設定された画像フィルタを観察像に重畳し、重畳画像を生成する。例えば図７に例示される各観察像に対して、矩形関数の画像フィルタが重畳されると、評価エリアの中の各画素値が抽出されて重畳画像が生成される。

（Ｓ４０６）
制御部１１９は、Ｓ４０５で生成された重畳画像を用いてフォーカス評価値を算出する。例えば、重畳画像の微分画像が生成され、生成された微分画像の全画素値の平均値がフォーカス評価値として算出される。図７に示されるように、フォーカスさせたい対象
（Ｓ４０７）
制御部１１９は、Ｓ４０６で算出されたフォーカス評価値が予め定められた閾値以上であるか否かを判定する。閾値は焦点が合っていることを判定する基準値である。フォーカス評価値が閾値以上であれば処理の流れは終了となり、閾値未満であればＳ４０８を介してＳ４０３に処理が戻される。

（Ｓ４０８）
制御部１１９は、レンズ強度を変更する。Ｓ４０７においてフォーカス評価値が閾値以上となるまでＳ４０８からＳ４０６までの処理が繰り返される。すなわち、焦点が合うまでレンズ強度が自動的に調整され、高精度に焦点が合わせられる。

以上説明した処理の流れによって、荷電粒子線である一次電子線１０２が傾斜して対物レンズ１０３の中心から離軸することによって視野移動が生じる場合であっても、適切に焦点が合わせられる。すなわち、一次電子線１０２の離軸量が大きい場合であっても、離軸によって生じる視野移動の影響を低減する画像フィルタが観察像に重畳されて生成された重畳画像を用いてフォーカス評価値が算出されるので、高精度な焦点合わせが可能になる。

実施例１では、視野移動量に基づいて位置を移動させた画像フィルタを用いてフォーカス評価値を算出することについて説明した。フォーカス評価値の算出に用いられる画像フィルタは位置を移動させたものに限られない。実施例２では、視野移動量に基づいてサイズを変更された画像フィルタについて説明する。なお実施例２には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。すなわち、実施例２の処理の流れは実施例１と略同じであり、Ｓ４０４の画像フィルタ設定処理のみが異なるので、Ｓ４０４について説明する。

図８を用いて、実施例２に係わる画像フィルタを設定する処理の流れの一例について説明する。

（Ｓ８０１）
制御部１１９は、視野移動量を取得する。

（Ｓ８０２）
制御部１１９は、Ｓ８０１で取得された視野移動量に基づいて、観察像に重畳される画像フィルタのサイズを変更する。画像フィルタは、観察像の中心において最大値１を示し、中心を通る線を対称軸とする対称形状を有する関数、例えば台形形状に近似された関数やガウシアン関数等である。なお画像フィルタの位置は観察像の中心に固定される。画像フィルタのサイズ、すなわち画像フィルタの半値幅等は視野移動量が大きくなるほど狭められる。

図９を用いて、実施例２の画像フィルタの一例について説明する。図９には、離軸がない場合と、離軸が大きい場合のそれぞれにおいて、アンダーフォーカスと、ジャストフォーカス、オーバーフォーカスで得られる観察像とともに、画像フィルタである窓関数が例示される。

離軸がない場合、フォーカスが変化しても視野は移動しないため、画像フィルタのサイズは大きいままである。一方、離軸がある場合、フォーカスの変化にしたがって視野は移動し、矢印が付けられたエッジが観察像に含まれるようになる。図２において説明したように、フォーカス対象以外のエッジの数が多くなると適切な焦点合わせにならないため、実施例２では観察像の中央部以外の画素値がフォーカス値の算出に用いられないように画像フィルタのサイズが狭められる。

以上説明した処理の流れによって、視野移動量に基づいて画像フィルタのサイズが変更される。サイズが変更された画像フィルタはＳ４０５にて重畳画像の生成に用いられる。また、Ｓ４０５で生成された重畳画像はＳ４０６にてフォーカス評価値の算出に用いられる。その結果、フォーカス評価が適切に算出されるので、高精度な焦点合わせが可能になる。

以上、本発明の複数の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１０１：電子線源、１０２：一次電子線、１０３：対物レンズ、１０４：偏向器、１０５：試料、１０６：可動ステージ、１０８：二次電子、１１２：検出器、１１５：画像生成部、１１６：入出力部、１１７：記憶部、１１９：制御部、１２１：光軸、２０１：対物レンズ磁場、２０２：オーバーフォーカスのときの視野位置、２０３：ジャストフォーカスのときの視野位置、２０４：アンダーフォーカスのときの視野位置、３０１：第一画像、３０２：第二画像、３０３：第三画像

Claims (7)

1. 荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を生成する荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線を傾斜させる偏向部と、
   前記荷電粒子線を集束させる集束レンズと、
   前記観察像から算出される評価値に基づいて前記集束レンズのレンズ強度を調整する調整部と、
   前記荷電粒子線が前記集束レンズの中心から離軸する量である離軸量毎に、前記荷電粒子線が前記試料の上で移動する量である視野移動量と前記レンズ強度との関係を記憶する記憶部と、
   前記荷電粒子線の傾斜角度と前記関係に基づいて視野移動量を算出し、算出された視野移動量に基づいて前記観察像に重畳される画像フィルタを設定するフィルタ設定部を備え、
   前記評価値は、前記観察像に前記画像フィルタが重畳されて得られる重畳画像から算出されることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記フィルタ設定部は、前記視野移動量に基づいて前記画像フィルタの位置を設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記フィルタ設定部は、前記画像フィルタが前記観察像の領域からはみ出す場合には、前記画像フィルタの幅を狭めることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記フィルタ設定部は、前記画像フィルタが矩形関数、前記観察像の一辺の長さがＡ、前記視野移動量がΔであるとき、前記画像フィルタの幅をＡ－２Δにすることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記フィルタ設定部は、前記視野移動量に基づいて前記画像フィルタのサイズを設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記関係は、レンズ強度と離軸量を変化させながら撮影される、既知の形状を有する試料である既知試料の観察像から視野移動量を計測することによって作成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記既知試料は、円環形状又は十字形状の突起部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。

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